1.引言

　　随着当今工业的快速发展，越来越多的阻感负载、电力电子装置得到广泛应用，随之伴来的是大量无功功率在电网中产生，造成功率因数降低，给电网带来了沉重的负担。静止无功补偿器(STATCOM)能够连续快速调节无功功率，动态满足配电系统需要，对提高电网电能质量和节约能源具有十分重要的意义。目前STATCOM 的研究和应用主要在高压大容量方面，已取得了很好的效果。

　　据有关调查显示，我国与一些发达国家相比，电网中65%以上的电能损耗在配电侧电网中。对于低压配电网，在配电变压器380V 侧普遍采用集中补偿的方式，一般采用微机控制的低压并联电容器柜，根据用户负荷水平的波动，投入相应数量的电容器进行跟踪补偿，实现无功功率就地平衡。由于采用的是投切电容器的方法，这种方式并不能做到对无功功率进行实时、连续地调节。针对低压、中小容量应用的D-STATCOM 具有广阔的发展空间与应用前景。针对于低压配电三相四线制系统，为满足对电网无功动态补偿的要求，本文研究了基于单相模块组合的三相四线制并联型STATCOM 样机，通过实验验证了该方案的可行性。

　　2.主电路结构

　　在低压配电系统中，三相四线制是主要的供电方式，为此人们研究出了多种三相四线制主电路结构的D-STATCOM，比较普遍采用的有四桥臂三相四线制D-STATCOM(如图1 所示)和电容中点出线式三相四线制并联型D-STATCOM(如图2 所示)。

　　上述两种三相四线制结构都是在三相三线制基础上变化而来，输入、输出变量多，控制复杂。本文采用了一种基于单相模块组合的三相四线制STATCOM，由三个单相模块组合而成，三个单相模块之间的控制相互独立。此种结构把对三相的控制简化成了对单相的控制，三个独立的单相实现了模块化，有一定的工程应用价值。其结构图如图3 所示。

　　3.单相STATCOM

　　影响STATCOM 补偿性能的两个比较重要的因素是无功电流检测和直流侧电压控制。STATCOM 所采用的无功电流检测方法非常重要，直接关系到补偿器最终的补偿效果。控制STATCOM 直流侧电压为适当值是保证其具有良好补偿性能的一个重要因素，若直流侧电压波动过大，就会出现过补偿或者欠补偿，危及STATCOM 的安全运行。

　　3.1 无功电流检测

　　目前普遍采用的无功和谐波电流检测方法是80年代由日本学者H. Akagi 提出的基于瞬时无功功率理论的检测方法，该方法适用于三相电路中。对于单相系统，还需另外构建一相相差90°的单位余弦波，比较复杂。本文虽是三相四线制，但各相相互独立，仍可看做是单相结构控制。针对单相电路，在这里使用了一种基于傅里叶分析的无功电流分离法。

　　设电源电压是一个纯正弦波形，它表示为

　　上式表明，直流侧电容电压udc 的变化量2dc u 可以由cp I 来确定，可以通过控制从电网吸收的有功电流来时时控制直流侧电压。当直流侧电压上升到一个稳定值后，若忽略STATCOM 本身的损耗，变换器将不从电网吸收有功电流。但事实上整个补偿装置存在有功损耗，这就需要控制变换器从电网吸收一定的有功电流来弥补变换器的损耗，否则这部分损耗将消耗存储在电容上的能量，使电容电压降低。在STATCOM 稳定运行时，其交流侧和直流侧无功电流的交换，将会引起直流侧电压产生一定的脉动，主要是2 倍频的脉动。设u~ 是直流电压的脉动量，则u可近似用下式表示：

　　电容电压的波动实质是电容储存的能量在脉动，能量的脉动量为：

　　根据上式可知，对于一定的无功负载，可以通过增加直流侧电容容值的方法来减小电容上电压的脉动。上式也常作为选取直流侧电容参数的依据。

　　3.3 控制策略

　　STATCOM 的控制策略可分为三种：1)传统的PID控制;2)基于系统内部结构的控制方式;3)综合智能控制方式，包括模糊逻辑控制、非线性鲁棒控制、人工神经网络控制、空间矢量控制等。现今在工程实际中使用得比较多的还是PI 控制，其控制框图如图4所示。

　　图4 中sint 是由捕获电网电压的相位得来，外环是直流电压环，其主要功能是控制直流侧电压稳定。电压环调节器的输出乘以sint 得到有功电流ip，再加上从负载电流中提取出来的无功分量q i ，一起作为电流内环的给定*c i 。电流环PI 调节器的输出与固定频率的三角载波进行比较，产生驱动信号去控制功率管的开通关断，达到对整个变换器控制的效果。整个变换器的控制，包括对电网电压相位捕获、数据采样、负载无功电流计算、电压环电流环调节、PWM 波形的产生都是通过DSP 数字芯片来实现。

　　4.仿真分析

　　本文采用Matlab2009a 中的Simulink 构建基于单相模块组合的三相四线制STATCOM 仿真系统，其各相仿真参数如下：系统电压220V/50Hz，补偿器连接电抗1mH，直流侧电容6600uF。三相负载为阻感负载，电阻4Ω，电感17mH，经计算可得单相电流滞后电网电压53°。 STATCOM 投入运行前，三相系统中各相电压电流波形如图5 所示。

　　当STATCOM 投入运行后，三相系统中电网侧的电压电流波形如图6 所示。电流中的无功分量已被装置补偿，电流与电压同相位。可知在基于单相模块组合的三相四线制STATCOM 结构下，能够很好的实现对负载无功电流的补偿。

　　5.实验验证

　　研制了一套补偿容量为20Kvar 的三相四线制并联型STATCOM 样机，采用TI 公司的TMS320LF2407作为控制芯片。其中单台电源电压为220V/50Hz，交流侧电感为1mH，直流侧电容为两个3300uF 的电容并联，开关管采用的是IGBT(600V,150A)。直流侧电压控制为380V，开关频率为15kHz。该STATCOM 系统由三台单相加一个综合控制箱构成，综合控制箱主要是协调三台单相工作，并通过控制箱上的液晶显示屏实时监测系统中各相的运行参数，各相与综合控制箱的通讯通过CAN 来实现。图7 为系统中的其中一相直流侧电压建立暂态过程(电压100V/div)，启动过程中为保证安全，对直流侧电压的建立采用缓启动，主要分为三个时段。t0-t1阶段串入预充电电阻，进行预充电;t1-t2 阶段PWM整流控制，给定基准电压缓慢增加;t2 以后电压达到设定的稳定值380V，暂态结束进入稳态。

　　图8、图9 分别为补偿器发出感性、容性无功电流时电流电压波形(电压250V/div，电流40A/div)，电流约为30A。

　　6.结论

　　本文主要介绍了适用于三相四线制低压配电系统的STATCOM 的工作原理，并进行了仿真研究和实验验证。仿真和实验结果都表明，本文采用的基于单相模块组合的三相四线制STATCOM，具有较好的补偿电网无功的功能，达到了较为理想的效果，具有一定的工程应用价值。

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